Frank Thuselt Physik der Halbleiterbauelemente Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker Mit 181 Abbildungen 4y Springer
Inhaltsverzeichnis Kursiv gekennzeichnete Abschnitte können beim ersten Durcharbeiten überschlagen werden. 1 Grundlagen der Mikrophysik 1 1.1 Aussagen der Quantenmechanik 1 1.1.1 Photonen als Teilchen 2 1.1.2 Emission und Absorption von Licht 4 1.1.3 Elektronen als Wellen 5 1.1.4 Heisenbergsche Unschärferelation 6 1.1.5 Pauli-Prinzip 7 1.2 Das Bohrsche Atommodell 7 1.3 Freie Elektronen 12 1.3.1 Wie entstehen freie Elektronen? 12 1.3.2 Zur Energieeinheit Elektronenvolt 13 1.3.3 Zusammenhang Energie - Impuls/Wellenzahl 14 1.4 Aufbau der Atome und Periodensystem 15 1.5 Kristallstrukturen und Geometrie 18 1.5.1 Bravais-Gitter und Elementarzellen 18 1.5.2 Atomabstände und Packungsdichten 20 1.5.3 Kristallrichtungen und Millersche Indizes 22 1.5.4 Massen und Dichten von Halbleitersubstanzen 24 1.6 Chemische Bindung 26 1.6.1 Übersicht über die Bindungsarten 26 1.6.2 Verbreiterung der Energieniveaus zu Bändern 30 1.7 Halbleiter 32 1.7.1 Orientierung an der elektrischen Leitfähigkeit 32 1.7.2 Bindungen und Bänder in Halbleitern 33 1.7.3 Halbleitermaterialien 35 1.8 Einige Ergänzungen 36 Zusammenfassung zu Kapitel 1 38 Aufgaben zu Kapitel 1 41
XII Inhaltsverzeichnis 2 Bänderstruktur und Ladungstransport 47 2.1 Bändermodell 48 2.1.1 Eigenschaftendes Leitungs- und Valenzbandes 48 2.1.2 Erzeugung freier" Elektronen und Löcher 52 2.2 Trägerdichte im Leitungs- und Valenzband 54 2.2.1 Zustandsdichte der Elektronen und Löcher 54 2.2.2 Fermi-Verteilung 56 2.2.3 Teilchenkonzentration in den Bändern 59 2.2.4 Bestimmung der Fermi-Energie 63 2.3 Halbleiter mit Störstellen 64 2.3.1 Donatoren und Akzeptoren 64 2.3.2 Bindungsenergie von Ladungsträgern an Störstellen 65 2.3.3 Ladungsträgerkonzentration bei Anwesenheit von Störstellen 68 2.4 Die Bewegung von Ladungsträgern 73 2.4.1 Drift 74 2.4.2 Anwendung: Widerstandsthermometer 79 2.4.3 Hall-Effekt 80 2.4.4 Diffusion 84 2.4.5 Einstein-Beziehung 86 2.4.6 Generation und Rekombination 88 2.4.7 Kontinuitätsgleichungen 91 2.4.8 Halbleiter im stationären Nichtgleichgewicht 92 2.5 Temperaturabhängigkeit von Bandgap und effektiver Masse 94 2.6 Halbleiter bei hohen Ladungsträgerdichten 95 2.6.1 Trägerkonzentration im Leitungsband 95 2.6.2 Gapschrumpfung 98 2.7 Einige Ergänzungen 102 2.7.1 Bandstruktur von Halbleitern 702 2.7.2 Ein-undzweidimensionaleHalbleiter 706 2.7.3 Der Teilchenzoo der Halbleiterphysik 707 Zusammenfassung zu Kapitel 2 109 Aufgaben zu Kapitel 2 112 3 pn-übergänge 123 3.1 Modell einer Halbleiterdiode 123 3.2 pn-übergang ohne äußere Spannung 125 3.2.1 Qualitative Betrachtungen 125 3.2.2 Berechnung des Potentialverlaufs 127 3.2.3 Breite der Sperrschicht 129 3.2.4 Diffusionsspannung 129 3.3 pn-übergang mit äußerer Spannung 133 3.3.1 Modell 133 3.3.2 Breite der Sperrschicht 135 3.3.3 Berechnung der Ströme 135
Inhaltsverzeichnis XIII 3.3.4 Strom-Spannungs-Kennlinie 139 3.3.5 Lawinen- und Zener-Effekt 143 3.4 Kapazität eines pn-übergangs 145 3.4.1 Sperrschichtkapazität 145 3.4.2 Diffusionskapazität 147 3.5 Differentieller Widerstand und Leitwert 149 3.6 Esaki- oder Tunneldiode 150 3.7 Einige Ergänzungen zu pn-übergängen 152 Zusammenfassung zu Kapitel 3 153 Aufgaben zu Kapitel 3 155 4 Optoelektronische Bauelemente 165 4.1 Lumineszenz-Bauelemente 165 4.1.1 Lichtemission an pn-übergängen 165 4.1.2 Lumineszenzmaterialien 166 4.1.3 Spektralabhängigkeit der Lumineszenz bei Band-Band-Übergängen 171 4.1.4 Aufbau und Technologie von Lumineszenzdioden 173 4.2 Einiges über Halbleiterlaser 179 4.2.1 Übersicht 179 4.2.2 Grundsätzliches zur Funktionsweise 179 4.2.3 Optischer Einschluss (Confmement) 180 4.2.4 Besetzungsinversion und Gewinn 182 4.2.5 Bilanzgleichungen für Elektronen und Photonen 184 4.3 Absorptions-Bauelemente 188 4.3.1 Physikalische Grundlagen der Absorption 188 4.3.2 Photoleiter 193 4.3.3 Photodioden und weitere Photodetektoren 195 4.3.4 Materialien für optische Empfänger 199 4.4 Solarzellen - Photovoltaik 202 4.5 Tendenzen der Optoelektronik 204 4.5.1 Lichtemittierende Bauelemente 204 4.5.2 Photodetektoren 206 4.5.3 Photovoltaik 207 Zusammenfassung zu Kapitel 4 208 Aufgaben zu Kapitel 4 210 5 Bipolartransistoren 215 5.1 Einfaches Transistormodell 215 5.2 Abschätzung der Verstärkungswirkung 219 5.2.1 Definition verschiedener Verstärkungsfaktoren 219 5.2.2 Diffusionsstrom in der Basis 221 5.2.3 Größenordnung der Stromverstärkung 224
XIV Inhaltsverzeichnis 5.3 Ebers-Moll-Gleichungen 227 5.3.1 Relativ einfache Herleitung 227 5.3.2 Zusammenfassung der Herleitung 231 5.3.3 Allgemeine Form der Ebers-Moll-Gleichungen 232 5.3.4 Verschiedene Näherungen für die Ebers-Moll-Gleichungen 234 5.4 Herleitung der Ebers-Moll-Gleichungen aus den Diffusionsgleichungen..237 5.4.1 Ansätze für die Diffusionsströme 237 5.4.2 Lösungen der Diffusionsgleichungen 238 5.5 Kennlinienfelder 241 5.5.1 Kennlinienfelder in Basisschaltung 241 5.5.2 Kennlinienfelder in Emitterschaltung 243 5.5.3 Early-Effekt 246 5.6 Ergänzungen zu Bipolartransistoren. Tendenzen 246 Zusammenfassung zu Kapitel 5 247 Aufgaben zu Kapitel 5 248 6 Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren 255 6.1 Metall-Halbleiter-Kontakte 255 6.1.1 Schottky-Dioden 255 6.1.2 Ohmsche Kontakte 261 6.2 Einführung in Feldeffekttransistoren 261 6.2.1 Die verschiedenen Typen von Feldeffekttransistoren 261 6.2.2 Einfaches Modell 264 6.3 Detailliertere Beschreibung des MOSFET 269 6.3.1 Ladungszustände eines MOS-Kondensators 269 6.3.2 Quantitative Betrachtung der Inversionsbedingung 271 6.3.3 Ladungen, Kapazität und Sperrschichtbreite am MOS-Kondensator 273 6.3.4 Verfeinerte Herleitung der Kennliniengleichung 278 6.3.5 MOS-Kondensator mit Berücksichtigung der beweglichen Ladungsträger 282 6.4 MOSFETs in der digitalen Schaltungstechnik 286 6.4.1 Binäre Schaltungen 287 6.4.2 MOSFET als Inverter 288 6.4.3 MOSFET als Lastwiderstand 289 6.4.4 MOSFET als Logikgatter 290 6.4.5 CMOS-Inverter und CMOS-Logikgatter 291 6.4.6 Bipolartransistoren in integrierten Schaltungen 292 6.5 Speicherschaltkreise 293 6.5.1 RAM-Speicher 293 6.5.2 ROMs 294 6.5.3 EPROMs und EEPROMs 294
Inhaltsverzeichnis XV 6.6 CCD-Bauelemente 295 6.7 Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren 297 6.8 Zur Zukunft der MOS-Technologie 299 Zusammenfassung zu Kapitel 6 301 Aufgaben zu Kapitel 6 303 7 Halbleitertechnologie 307 7.1 Vom Sand zum Chip: Fertigungsschritte im Überblick 307 7.2 Herstellung von Silizium-Einkristallen 308 7.2.1 Rohsilizium 308 7.2.2 Trichlorsilan und Polysilizium 308 7.2.3 Herstellung von Einkristallen 310 7.3 Herstellung von Einkristallen anderer Halbleiter 312 7.3.1 Germanium 312 7.3.2 Besonderheiten bei der Herstellung von Verbindungshalbleitern.. 313 7.4 Herstellung und Bearbeitung der Halbleiterscheiben 314 7.4.1 Übersicht 314 7.4.2 Oxidation 318 7.4.3 Dotieren 319 7.4.4 Epitaxieverfahren 323 7.4.5 Metallisierung durch Aufdampfen und Sputtern 326 7.4.6 Ätzen 328 7.4.7 Reinigen 330 7.5 Lithographie 331 7.6 Reinraumtechnik 334 7.7 Ein Beispiel für die Technik integrierter Schaltungen 339 7.8 Tendenzen der Halbleitertechnologie 342 Zusammenfassung zu Kapitel 7 344 Aufgaben zu Kapitel 7 347 Literaturverzeichnis 351 Verzeichnis der Internet-Dateien 355 Verwendete Formelzeichen 361 Tabellenverzeichnis 369 Index 371 Personenindex 387